姑山礦區多礦床礦產資源開發利用的綜合優化模型研究

蔡嗣經，王文瀟，2，鄭明貴，3

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;2.馬鋼集團姑山礦業公司，安徽 馬鞍山 243184;3.江西理工大學，江西 贛州 341000)

姑山礦區多礦床礦產資源開發利用的綜合優化模型研究

蔡嗣經1，王文瀟1，2，鄭明貴1，3

(1.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083;2.馬鋼集團姑山礦業公司，安徽 馬鞍山 243184;3.江西理工大學，江西 贛州 341000)

依據整體采礦學的理念，即從整體上全過程、多方位、系統和動態地研究一個礦區多礦床礦產資源的開采與利用，構建了人工神經網絡專家系統綜合優化模型，根據所構建的模型對姑山礦區的多礦床礦產資源開采與利用進行了綜合優化研究，得出了姑山礦區的鐵礦石推薦生產規模為540×104～680×104t/a的結論。研究結論對加強姑山礦區的建設、提高經濟社會效益以及礦區可持續發展均有較好的指導作用。

姑山礦區;多礦床開采;整體采礦學;人工神經網絡專家系統模型

1 前言

馬鋼集團姑山礦業公司位于安徽省當涂縣境內，距馬鋼廠區30 km，蕪湖市18 km。礦區有專用鐵路線與寧蕪(南京—蕪湖)線接軌，并與馬鋼廠區鐵路線相通，緊靠礦區的縣級公路與205國道相連。青山河通往姑溪河與長江相通，交通十分便利(見圖1)。礦區處于低山丘陵與長江沖積平原接合部位，地形屬于侵蝕殘丘，由4座海拔標高在+53～+102 m的小山和山間凹地組成，地表和地下水系十分發育，水文地質條件復雜［1］。

礦區屬中亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫暖，年平均降雨量1906.5 mm，年平均蒸發量1361 mm，年平均氣溫16.1℃，年平均風速3.3 m/s，冰凍期15～60 d，最大凍土深度9 cm。

姑山礦區有4個相距很近的鐵礦床，即姑山礦、和睦山礦、白象山礦、鐘九礦，地質儲量近3.25×108t，地質品位約Fe 40%。目前的生產礦山為姑山露天礦、和睦山地下礦;白象山地下礦正在基建中，預計2010年后投產;鐘九礦還在籌劃開發中，可能露天開采。另外，姑山露天礦在幾年內將要轉入地下開采，相關地下開采的設計工作已完成。總體規劃將姑山建成一個大型礦區，產原礦400×104t/a、成品礦200×104t/a，成為馬鋼集團主要的球團礦和高硅礦生產基地之一［2］。

圖1 姑山礦業公司地理位置及交通圖Fig.1 Location and transportation of the Gushan Mining Company

2 礦區多礦床開發的整體采礦學理念

采礦工程是一個系統工程，一個礦區的多礦床開發更是一個復雜的大系統，主要表現在:a.系統龐大。包括地質系統、露天開采系統、地下開采系統、運輸系統、破碎系統、選礦系統、排土系統、尾礦系統、電力系統、管理系統、銷售系統、環境系統等，系統之間存在嵌套現象，系統下還有子系統。b.關系復雜。子系統之間存在各種關系，這種關系使得系統整合大于整體。c.不確定性。系統存在許多不確定性、隱蔽性、動態性、層次性、隨機性和時空性因素。d.綜合性。系統存在著多學科交叉、融合，同時又具有一定的社會性和宏觀性［3～5］。

礦區多礦床采礦系統是一個復雜的大系統，采用整體采礦學的理念對其進行系統分析與研究或許是一種行之有效的途徑。所謂整體采礦學，是指從整體上全過程、多因素、多層次、多方位研究對礦床有用礦物的開采與利用以及開采過程中產生的時空物流，是一個系統的、動態的采礦理念［6～9］。

整體采礦學的基本原則主要有:

1)整體性原則。系統是由若干要素組成的具有一定新功能的有機整體，各個作為系統子單元的要素一旦組成系統整體，就具有獨立要素所不具有的性質和功能，形成了新系統的質的規定性，從而整體的性質和功能不等于各個要素的性質和功能的簡單疊加。礦區多礦床采礦系統作為一個復雜大系統，其整體所具有的功能遠大于其各個子系統所具有的功能。在礦山設計與建設時必須從整體上進行考慮，找準各個子系統在整個系統中的作用與地位，發現各個子系統的瓶頸環節并加以解決，有利于實現整個礦區的可持續發展。

2)時空量序原則。所謂時空量序原則，是指系統在發展演化過程中必須滿足時間、空間、數量、次序等相協調、相統一的客觀規律性。這是因為，復雜系統是由若干要素有機聯系組成，含有等級結構，具有獨立功能特性的動態體系，是一個開放的、遠離平衡態的系統，具有自組織性、自相似性、隨機性的非線性系統，是無序性和有序性的對立統一。礦區多礦床開發隨著采礦生產的不斷進行，礦區人力、資源、資金等要素的發展必須遵循時空量序原則。

3)部分延伸與轉化原則。組成系統的各個子系統之間是可以相互延伸與轉化的，子系統之間的邊界也不是絕對清晰的。

4)采礦與環保結合的原則。在采礦生產過程中對礦區周圍環境造成了一定程度的污染與破壞，應實行采礦與治理環境相統一的設計，這樣，才能真正實現礦區的可持續協調發展，建設綠色生態礦區。

3 礦區多礦床開發的綜合優化模型

礦區多礦床礦產資源開發與利用的綜合優化，將基于專家系統與神經網絡的集成，即神經網絡專家系統模型來進行研究［10，11］。

3.1 神經網絡專家系統的結構

圖2表示神經網絡專家系統的一種結構，系統主要由知識庫、數據文件、并行推理機、知識獲取模塊、解釋系統及人機接口(界面)等部分組成［12，13］。

圖2 神經網絡專家系統的結構Fig.2 Structure of ANN-Export system

3.2 姑山礦區礦床開采綜合優化的神經網絡專家系統設計

3.2.1 礦床開采條件評價指標體系

構建的礦床開采條件評價指標體系見表1，其中一級指標3個，二級指標9個，三級指標18個(分別用C1，C2，…，C18表示)。

表1 礦床開采條件評價指標體系Table 1 Indexes of deposit mining condition evaluation

續表

3.2.2 神經網絡結構

根據對礦床開采條件的分析，可以構造一個3層的多輸出神經網絡。

1)輸入神經元:C1，C2，…，C18。

2)網絡輸出神經元:礦床開采條件綜合評價(EMC)、礦床開采規模(S，×104t/a)、投資概算總額(TI，億元)以及全投資內部收益率(IRR，%)。

3)隱蔽層神經元數目的確定，基本原則是:一般隱含層的神經元數目大于輸入神經元數目和輸出神經元數目之和的一半，小于輸入神經元數目和輸出神經元數目之和。因此，取n=12，n為隱蔽層神經元數目。

3.2.3 BP神經網絡的學習算法

根據BP神經網絡的學習特點，筆者收集了8個類似鐵礦床的數據資料。這些數據資料經過設計院以及礦山企業多位專家共同論證，是可以充分信賴的(見表2)，其中部分指標為定性指標。對于18個變量的原始數據需要按照一定的規則加以處理，即應位于［0，1］范圍內，使處理后的數據能滿足神經網絡訓練和學習的要求。這些變量數據規格化處理原則見表3。通過網絡訓練達到要求后，網絡各節點間互聯權值就完全確定，則BP網絡已經學習好。

姑山礦區4個鐵礦床的數據資料見表4。表中EMC、S、TI以及IRR均為設計院設計值或礦山專家估計值。

表2 供BP神經網絡學習的類似鐵礦床實例數據Table 2 Example data of related iron-ore deposits used in BP-ANN training

表3 輸入數據初始化規則表Table 3 Regulation of ANN input data initiation

表4 姑山礦區4個礦床的數據Table 4 Data of 4 deposits in Gushan mining area

神經網絡專家系統的性能測試。為了使網絡收斂速度較快，輸出數據初始化的基本方法是將實際值除以一個比例因子，而比例因子獲取應遵循的原則是找出某一項數據可能取的最大值，具體如下:礦床開采規模輸入值=礦床開采規模實際值/500;投資概算總額輸入值=投資概算總額實際值/15;全投資內部收益率輸入值=全投資內部收益率實際值/20。另外，礦床開采條件綜合評價(EMC)規定優(0.8)、良(0.6)、中(0.4)、差(0.2)。對系統進行測試時，規定:EMC≥0.8時為優秀;0.6≤EMC＜0.8 時為良好;0.4≤EMC ＜ 0.6 時為中等;0.2≤EMC＜0.4時為差;EMC＜0.2時為極差。利用輸出數據初始化處理原則對各礦床輸出數據進行規格化，得到表5、表6的系統輸出訓練值;神經網絡訓練結果輸出示意圖如圖3所示。訓練好的神經網絡測試結果見表7。

表5 類似鐵礦床系統的輸出訓練值Table 5 ANN training output of the related iron-ore deposits

表6 姑山礦區4個礦床的輸出訓練值Table 6 ANN training output of 4 deposits in Gushan mining area

圖3 神經網絡訓練結果示意圖Fig.3 Diagram of ANN-Export system training results

表7 神經網絡測試結果表Table 7 Results of BP-ANN testing

由表7可見，訓練好的神經網絡除了個別輸出值偏差較大(如礦床4和礦床3的一些項目相對誤差在10%以上)以外，其余均較好。因此，效果較理想。利用訓練好的神經網絡對姑山礦區4個鐵礦床進行綜合評價，結果見表8。

表8 姑山礦區4個礦床開采條件評價結果Table 8 Mining condition evaluation results of 4 deposits in Gushan mining area

3.3 姑山礦區礦床開采綜合優化結果分析

根據表8的數據還原成表9，從中可以看出:

1)礦床開采條件綜合評價。白象山鐵礦EMC輸出值為良好，較設計值(優)低一個等級;姑山鐵礦輸出EMC值為中等，也較設計值(良)低一個等級;和睦山鐵礦、鐘九鐵礦輸出EMC值與設計相符合，分別為良好和中等。因此，在白象山鐵礦、姑山鐵礦基建以及生產過程中建議修正礦床開采條件綜合評價值，按照低一個等級進行設計，以確保礦床安全生產以及合理的經濟社會效益。

表9 姑山礦區4個礦床實際值與網絡輸出值比較Table 9 Comparison of actual＆ANN output data of 4 deposits in Gushan mining area

2)礦床開采規模。a.白象山礦。由于地質資源豐富，白象山鐵礦設計開采規模明顯偏小，考慮馬鋼集團公司對鐵精礦的需求量大，建議其設計開采規模為250×104t/a，某些生產關鍵工程留有礦山生產規模發展到300×104t/a的余地。b.姑山礦。按照現行設計開采規模70×104t/a，礦床可以穩產100年以上，明顯不經濟;網絡輸出為98×104t/a，考慮到其礦床開采條件復雜，因此，建議目前可以按照100×104t/a的規模進行設計，待開采技術水平提高后，再考慮是否進一步擴大開采規模。c.和睦山礦。地質儲量一般，但開采條件相對較好，因此，可以進一步提高礦床開采規模至82×104t/a，此時礦床可以穩產20年以上，比較合適。d.鐘九礦。由于鐘九鐵礦正在進行礦業權價款評估和探礦設計工作，其開采規模為估計值，網絡輸出值與其很接近，說明150×104t/a的規模是可行的。e.投資概算總額。網絡輸出4個礦床投資概算總額為15.1億元，設計為14.1億元。在資金投向上，應重點保證白象山鐵礦、姑山鐵礦兩個鐵礦床的投資建設，同時應進一步控制投資，使得和睦山鐵礦新礦段、鐘九鐵礦建設得以順利進行。f.全投資內部收益率。由于各個礦床生產規模、投資概算總額發生了變化，因此，網絡輸出全投資內部收益率與設計值也產生了差異，但均在11%以上，說明，投資經濟效益較好，在經濟上可行。

4 結語

姑山礦區各礦床礦產資源合理開發與綜合優化問題，涉及“時、空、量”3個方面，即姑山礦區各礦床在“時間”的調度上(即在礦床之間的開采順序上)必須以經濟效益和馬鋼集團統一生產安排為原則［14］;各礦床在“空間”的調度上(即在總圖運輸、輔助生產設施空間布局上)必須以技術上可行、經濟上合理、生產上易于安排為著眼點;各礦床在“數量”的調度上(即在礦床之間的生產規模安排上)必須以設計的最大選礦生產能力為依據。

1)姑山礦區各礦床采礦生產規模。按設計利用的地質儲量B+C級考慮，整個姑山礦區的推薦生產規模為540×104～680×104t/a，其中白象山鐵礦250×104～300×104t/a、姑山鐵礦 100×104～150×104t/a、和睦山鐵礦70×104～80×104t/a、鐘九鐵礦120×104～150×104t/a。

2)姑山礦區選礦生產規模及流程。姑山礦區各礦床相距較近，呈“品”字形分布。和睦山鐵礦床與姑山礦區龍山選礦廠相距僅1 km，交通便利。鐘九鐵礦床位于鐘山與九連山之間，與和睦山礦毗鄰。因此，在選礦廠布局及生產規模上值得深入研究［15］。

3)姑山礦區各礦床開采順序。姑山礦區4個礦床開采順序的制訂取決于馬鋼集團生產需要及投資資金安排。從生產的延續性以及礦床開采條件看，開采順序依次為和睦山鐵礦、姑山鐵礦(包括露天轉地下開采)、白象山鐵礦、鐘九鐵礦。

4)姑山礦區多礦床礦產資源開發的“空間”優化。礦區地面總圖布置的基本原則是:a.保護環境，節約用地;b.滿足各個場地和設施的基本功能要求;c.充分利用姑山礦區現有各種設施的能力，避免重復建設;d.滿足各種防護距離、安全規范的要求;e.系統考慮各礦床的分總圖情況，進行綜合優化，以降低整體運營成本［16］。

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Synthetic optimization modeling on mining and utilization of multi-deposits in Gushan mine area

Cai Sijing1，Wang Wenxiao1，2，Zheng Minggui1，3

(1.State Key Lab of High-efficient Metal Mining＆ Safety，University of Science＆ Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Gushan Mining Company，Ma-steel Group，Ma’anshan ，Anhui 243184，China;3.Jiangxi University of Science ＆ Technology，Ganzhou，Jiangxi 341000，China)

Based on the concept of full-scale mining，that is，the concept of research on the mining and utilizing of mineral resources of multi-deposits in a mine area by systematic and dynamic considering of mine full-life process，a synthetic optimizing model of artificial neutral network(ANN)export system is set up.By using the model，a synthetic optimization for the mining and utilization deposits at Gushan mine area is carried out，and the suggested ore production scale for the Gushan mine area is 5.4 ～6.8 million t/a.The optimized results are helpful to the strengthening construction，the improvement of economical and social benefit and the sustainable development of Gushan mine area.

Gushan mine area;multi-deposits mining;full-scale mining concept;ANN-export system model

TD85

A

1009－1742(2011)03－0056－07

2009－08－10

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2006BAB08B01)

蔡嗣經(1952—)，男，江西南昌市人，教授，博士生導師，主要從事礦業工程、安全技術及工程的研究與教學工作;E － mail:Sjcai@admin.ustb.edu.cn